Физики воссоздали в лаборатории процесс извлечения энергии из чёрных дыр
Более полувека назад сэр Роджер Пенроуз представил сценарий, в котором энергию можно было бы извлечь из черной дыры, вращающейся с экстремальными скоростями. Он предположил, что частица, входящая в ее эргосферу — область пространства, увлекаемую вращающейся черной дырой, — может расщепляться на две части. Одна часть может упасть в черную дыру, а другая вырваться, унося с собой больше энергии, чем исходная частица. Развивая эту теорию, физик Яков Зельдович позже предсказал, что волна, взаимодействующая с достаточно быстро вращающимся объектом, может извлечь из него энергию и усилиться.
Вдохновленные этой теорией, ученые из США в статье в журнале Nature продемонстрировали новый подход к усилению волн посредством взаимодействия с вращающимися телами. Вместо механического вращения материи команда разработала радиочастотное устройство со свойствами, модулированными в пространстве и времени, имитирующими вращение. Устройство создает синтетическую форму сверхбыстрого вращения, которая позволяет получить доступ к скорости вращения, намного превышающей ту, которая может быть достигнута механически, что позволяет ученым преодолеть ограничения, которые долгое время препятствовали экспериментальным исследованиям сверхбыстрой вращательной динамики. Такой подход обеспечивает новый метод взаимодействия волн и материи, при котором волны с выбранными вращательными свойствами извлекают энергию из синтетического, искусственно созданного во времени вращения, создавая форму широкополосного селективного усиления.
Этот успешный эксперимент переводит идеи об экстремальной вращательной динамике из теории в практику и создает универсальную экспериментальную платформу для изучения широкого спектра явлений на стыке астрофизики, волновой физики и квантовой науки. Эта работа имеет значение для развития фундаментальной науки, а также в области связи, оптики и фотоники.
В основе работы лежал фундаментальный вопрос: могут ли электромагнитные волны, направленные на неподвижное устройство, вести себя так, как если бы они взаимодействовали с объектом, вращающимся со сверхвысокой скоростью, и извлекать энергию из этой формы искусственного движения? Чтобы ответить на вопрос, исследователи создали кольцеобразную сеть электронных резонаторов, свойства которых быстро модулировались в тщательно выверенной последовательности, создавая движущийся узор вокруг кольца. Хотя само устройство не двигалось, движущийся узор заставлял электромагнитные волны воспринимать систему как вращающуюся со сверхвысокой скоростью.
Волны с соответствующими вращательными характеристиками извлекали энергию из системы и усиливались, воспроизводя основные физические процессы Пенроуза-Зельдовича. Предложенный подход основан на использовании специально разработанных метаматериалов, предназначенных для управления распространением волн.
Способность синтетического вращения имитировать движение со скоростью, превышающей скорость света, предоставляет исследователям мощный инструмент для изучения экстремальных режимов в контролируемых лабораторных условиях. Достижение команды открывает новые экспериментальные возможности для исследования физики, которая в противном случае оставалась бы недоступной, и предоставляет замечательные перспективы для беспроводной связи, а также для применения классической и квантовой оптики.
В перспективе полученные результаты будут адаптированы для практических технологий - распространены на фотонные и квантовые платформы, что позволит использовать новые способы управления светом, обработки информации и исследования волновых явлений, вдохновленных некоторыми из самых экстремальных сред во Вселенной.
Художественное изображение сверхсветового излучения Пенроуза: электромагнитные волны с выбранными схемами вращения усиливаются при взаимодействии с системой, которая, по-видимому, вращается со сверхсветовой скоростью (Иллюстрация: Д.Пасотти и Х.Насари)